仪表传感器2020年科技发展规划建议

仪表传感器所涉及的领域太广泛，本文就近二十年来仪表传感器领域中具有产业革命性的MEMS（微电子机械系统）技术及其国内发展提出如下建议。

　　一、国内外发展现状及问题

　　在1987年第四届固态传感器与执行器会议上随着一台微静电马达的转动而得到肯定，会后引起了美国自然科学基金会（NBF）与美国国防部先进技术局（DARPA）的高度重视，先后拨款在一些著名的大学专用实验室与公司建起了MEMS基础工艺线（Foundry）。MEMS技术主要在微传感器领域与微驱动器等二个方面发展，由于驱动器受功率瓶径制约，不如微传感器发展快。到了20世纪九十年代，在诸如航天、汽车、生物医药、家庭电器等方面获得了较大的发展，并逐步形成产业。在军事应用领域内由于保密原因，其进展鲜为人知，直至中东战争、科索沃战争及最近的伊拉克战争中美军使用的精密制导炸弹，水面舰只用的精密制导炮弹、空中武器的导引头中的许多微传感器器件如微型惯导器件（微陀螺、微加速度计等），其影响之大引起了人们的关注。在民用领域中，还向读/写磁头、喷墨打印机等方面扩展。到二十世纪末与二十一世纪初，美国政府开始着手进行MEMS领域的产业化调查工作，并有不少关于MEMS技术从实验室走向产业的文章予以报导，如汽车安全气囊加速度计、汽车与医用的压力计、汽车刹车用陀螺、生化分析芯片、质量流量计、振动传感器逐步形成产业。到了二十世纪后十年，在中国的仪表市场中几乎已被世界知名的MEMS仪表传感器企业或其代理商所占有。

　　国内MEMS微传感器技术的起步并不晚，1987年在中科院上海冶金所建立了传感技术国家实验室，几乎同时期在沈阳着手国家传感技术工程中心的组建工作，许多高校相继建立MEMS专业实验室。国家自“七•五”始建立的攻关基金以及随后863、973等高科技创新基金都对此项给予了大力支持，应该说二十年来国家对仪表传感技术的发展投入了一笔不小的资金。但由于研究发展机制不协调，技术上的条块分隔，研究发展缺乏需求牵引，资金使用过于分散，虽然也搞了产业化基地，但真正能转化成产业成果的微乎其微，绝大一部分成果停留在报告、论文与鉴定的层次上，形不成产品，更无竞争能力可言。国内的新型仪表市场为国外仪表厂商占有，形成整个仪表行业滑坡。


　　二、2020年发展战略目标和意义


　　MEMS仪表传感器技术代表着未来仪表发展的方向。同时仪表技术又是应用性极强的工程技术，它的发展受市场与需求的牵引。自上个世纪的“七•五”开始的二十年，可以说是这门学科发展的技术准备与酝酿阶段，未来的十五年则是走向实用化、振兴我国仪表工业，赶超的关键阶段。因此，制定规划应从“产业化”入手，以产业为龙头，把“产业化”列入科技发展规划的重要内容。以建立一批在专业上有特色的，世界一流的仪表产业为目标，重振我国的民族仪表传感器行业。

　　1、根据航天及军事、汽车、生物医药、工业控制等应用领域与长远发展的需要可以建成二个层次的MEMS产品的工艺线，国外称foundry。一是开展以微型机械的力学、热学、流体力学及场等方面的基础理论研究需要的科研foundry，二是建立几条市场前景明确的产业foundry线，由于专业不同，批量的需求不同，foundry线中的装备可以调整，而且可以适应产品品种的变化，只需在线设备进行小调整即可。MEMS技术中虽然含有机、电合一意思，但其内容以“机械结构与机、电一体封装”技术为主，它是与微电子工艺线相依相存的，因为在工艺上MEMS技术研究的重点是三维工艺，多个零部件一体封装及最终机、电一体封装，其中电子器件、微型电路是通过微电子技术来实现并提供系统实现一体封装的。

　　2、清理自“七•五”至今二十余年来国家出资支持发展的MEMS项目的已有成果，做好转向产业化的工作。由于MEMS技术的仪表传感器随着服务对象不同，需求量的差别较大，因此“规模化”的要求应有不同。如航天产业的需求量是以百、千至万数量级计，而汽车则可达十万、百万数量级，在转产过程中可按照需求量的不同建成不同规模的产业与相应的“foundry”线。

　　3、未来十五年MEMS技术发展重点应由实验室走向产业，重点应放在产业（只能如此方能振兴民族工业），建成以科学院、高校为主的研究发展基地与一批有专业代表性的MEMS产业基地逐步实现各行业中仪表传感器的国产化，并逐步进入国际市场，争取在未来的（10~15）年内实现振兴我国的仪表工业。

　4、通过两个基地的建设培养一批既懂得现代仪表传感器产业化又懂得MEMS仪表传感器技术的人才队伍，为MEMS仪表传感器技术的持续发展奠定基础。

　　三、重点发展前沿和关键技术

　　重点发展前沿

　　1、微硅数字传感器技术：如航天与军事用的精密制导用的惯性导航仪器、工业用精密数字压力表、汽车制动稳定与定位陀螺等。

　　2、生物芯片技术；

　　3、多传感器集成与阵列传感器芯片；


　　4、SOI耐高温传感器；


　　5、光机电一体的MOMES技术；


　　6、专用集成微型仪器技术（Applieation specific Integrate Microinstrument.ASIM），它是未来超小型卫星系统的技术基础。



　　关键技术


　　1、微硅谐振结构、微控电路与谐振器件的设计与工艺研究；


　　2、微系统中微管道、微泵、反应池等的结构与系统设计、工艺研究；

　　3、多个信号融合技术与多敏感器的阵列设计与工艺研究；


　　4、硅材料隔离层改性技术研究与特种性能传感器结构与工艺研究；（MEMS器件材料的改性研究）


　　5、多个MEMS器件的综合集成与封装技术；（针对ASIM而言）。


　　6、微构件力学、热学、流体力学、磁学等基础研究。



　　四、实施的步骤与方案

　　1、（2005~2010）年

　　清理自“七•五”以来有实际应用需求的MEMS技术的创新成果，以有应用需求牵引的企业为龙头，产、学、研结合，将成果转化成产业，建立成若干个不同规模的产业（待调研后确定），以建立灵活、实际的Foundry线的形式，在短时间内促成产品进入市场，为仪表传感器的国产化跨出关键的一步。如建立以航天MEMS中心为基础的Foundry线，可从精密制导用的微惯性组合入手，开发微陀螺（水平在30°~50°）/h漂移。微硅加速度计精度为（0.1~0.05）%水平，承受10000g条件的产品年产（5000~10000）台件/年，可直接用于我国的航天产业。再如汽车行业MEMS中心，则可以安全气囊用的加速度开关、车用压力计、止动用陀螺等的开发，精度不必太高，但性价比要低，汽车行业的foundry线的产量应根据国家汽车生产的实际情况来定。

　　MEMS Foundry线与IC线不同，前者可根据产品种类、批量大小不同进行小调整，投资不太大。因此，可以根据需求不同多建几条不同产品对象的Foundry线。

　　总之本阶段的工作应以成果向产业转移为中心。在此期间可逐步启动MEMS技术的基础研究与其他项目的启动。

　　2、（2010~2015）年

　　此期间除逐步实现已有成果的转产，实现产业化并能建成国内各行业需求的完整的国产仪表配套体系，使国产仪表占市场的主导地位，实现仪表行业的振兴外，应使光、机、电一体的MOMES与ASIM技术的开发进入应用市场。

　　3、（2015~2020）年

　　在国内应建成几个产、学、研一体的现代仪表的基地（可按地区划分建立仪表公司），促使国产仪表进入国际市场，为实现我国的仪表行业的全面振兴奠定基础。

　　相关链接：

　　MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统（MEMS）技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LTGA和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。对微电子机械系统（MEMS）的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究三类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微磨擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入实用。